耶鲁科学家验证量子跃迁确属连续过程 并成功开发量子跃迁预测机制

描述微观世界的量子力学在约一个世纪前刚问世那会，代表着一些与经典理论完全相悖的，被当时的物理学家们称为是“激进”的反直觉思想，其中相当著名的一个便是“量子跃迁（Quantum Leap）”，即一个量子系统在两个量子态间的转换过程。

虽然有部分较为纯粹的物理学家认为这个词存在歧义，但由于粒子在两个量子态间转换的过程中所需的能量极少，此前包括很多量子领域先驱人物在内的物理学家都曾一度将这一过程默认为是“瞬间发生的”。

然而就在最近，一项由耶鲁大学主导的新研究表明，量子跃迁其实是一个如快放电影般的连续过程，而不是人们此前所想的那种“瞬间发生”的非连续事件。研究由耶鲁大学纳米级应用物理实验室主管，Michel Devoret 的学生 Zlatko Minev 领导，结果已于近日发表在 Nature 杂志上。

在研究中，研究人员通过特制的高速监测系统，成功捕捉到了量子跃迁将要发生的起始时间，并以此在量子跃迁进行到一半的时候人为逆转量子态的转换过程，使系统恢复到其初始态，实现了对此前被认为是“不可避免且完全随机”的量子态转换过程的量化操控。

图丨 量子跃迁是一个极快的渐进过程。（来源：Quanta Magazine，qoncha）

离散与随机

量子物理学家马克思波恩（Max Born）曾表示：“量子跃迁，表面上看是一个物理学问题，其实却是一个与人类认知相关的哲学问题。”

量子跃迁的“瞬发性”最早由包括尼尔斯波尔（Niels Bohr）和沃纳海森堡（Werner Heisenberg）等早期量子物理学家于上世纪 20 年代提出，是哥本哈根学派量子力学理论的核心支柱之一。

波尔认为，原子中每个电子的能级都是“量子化的”（quantized，此处可以近似理解为是“量化的”，因为量子化本身指的其实是一个 quanta 对应一个特定的能量值），因此电子能级跃迁所需的能量也是“量子化”的，仅有当入射能量的大小等于特定的值时电子的能级跃迁才会发生，他提出，这一过程能由“电子吸收和放出携带合适大小能量的光子”来完成，并以此解释了不同原子的吸收和放射光谱会呈现出不同特征（即吸收和放射的光线的波长差异）。

波尔和海森堡于上世纪 20 年代起开始着手研究粒子量子行为背后的数学原理。其中，海森堡所建的模型能够计算出一个粒子的所有“可被允许的”量子态，但把这些量子态间的转换假设为了一种非连续的离散过程，并由此引出了根本哈根学派基本假设之一的“量子跃迁”概念。

但埃尔温薛定谔（Erwin Schrödinger）对此并不赞同，并于后来对此提出了用于连续地量化描述粒子状态的薛定谔方程（也就是波函数或波方程）。

具有连续性的波函数实质上可以被看作是海森堡离散量子态模型的一个替代模型，在物理上表示一个量子系统所处的状态，而其波状外形也会随时间的推移而发生连续性的变化（就好比是海面上的波浪）。薛定谔认为，由于当时间等于零时他模型中并没有体现出海森堡模型中的“瞬间转换”，“量子跃迁”在现实中其实并不存在。

事实上，“量子跃迁”的问题还仅限于它的“不连续性”，其发生的时间在海森堡模型中也被认为是“完全随机”的，即海森堡模型能解释为何量子跃迁要在某一特定时刻发生，认为这是现实的一种内置随机性。

这一观点遭到了薛定谔和爱因斯坦的反对，认为这种基于随机性的宇宙是荒谬的，而“量子跃迁”问题也因此从一个物理问题因此上升成了一个哲学问题。

绕开观测难题

1986 年，有三个团队最早观测到了单个原子的量子态转换，具体来说，是被电磁场悬浮于空中的单个原子在“明”（可放出光子）与“暗”（不可放出光子）两个态间的转换。

在观测中，原子会在一个状态下维持十几分之一秒到数秒，然后发生“跃迁”转换为另一种状态。此后，也陆陆续续也有很多别的团队观测到了这种转换，而在所有这些实验中，这种量子态间的转换过程在对量子系统的监控过程中看起来的确像是完全随机和突然的，但此次耶鲁大学的新实验在观测设定上通过尽可能的利用可获取的信息并确保这些信息不会在系统被测量前被泄露，使科学家能密切跟踪单次量子态转换过程，并预测出每次转换将会于何时发生。

具体来说，此次研究中所使用的量子系统是一个远大于单个原子，由超导材料导线所制成的“人造原子”，这种人造原子具有与真实原子中电子能级相似的量子态，能通过吸收或发射光子来完成在不同量子态间的转换。

图丨Michel Devoret (左) 与其学生 Zlatko Minev（右）在实验所用的低温恒温器前的合影。（来源：Yale Quantum Institute）

Devoret 的团队希望能通过实验观察到人造原子在基态（最低能级）和激发态间的转换，但由于观测会使波函数发生坍缩，这种转换并不能被直接观察，团队需要在维持系统连续性的情况下设法从侧面观测这种转换。

为此，Devoret 的团队设计了一个涉及第二激发态的方法。在该方法中，系统可以通过吸收带有特定能量的光子从基态变至第二激发态，而研究人员则能通过将超导电路放置在一个光学腔室（可反射特定波长的光子）内，使处于“明”态的系统在腔室内具有能被探测到的特定光子散射方式，来判断系统是否处于第二激发态（可被观测的态），进而判定系统是否处于“暗”态（不可被观测的态）并以此间接对系统在量子态间的转换进行观测。

未参与此项研究的物理学家 William Oliver 说：“这一设计的关键在于，这种测量能使科研人员在不对系统进行直接测量的情况下获取与系统状态有关的信息，通过仅调查系统是否处于‘明’或‘暗’态来维持系统在量子态转换过程中的量子相干性。”Oliver 表示，这种设计与量子计算机中所需的高效纠错方法密切相关，因为二者在本质上其实都是为了维持系统的相干性。

Devoret 表示，除了设计上的创新，实验还验证了量子测量并非与原子探头所引发的函数波动相关，而是直接与系统本身的状态相关。

观测跃迁

Devoret 的团队在实验过程中观测到了系统的“明”态随时间衰减，并在约 100 微秒后恢复为其原本的强度，但负责显示系统处于“明”态的反馈器（一个会发出滴答声的仪器）会每隔数百微秒停止反馈。

研究人员认为，在反馈器停止反馈的时间段内，系统应该已经经历了从“明”态到“暗”态的转变，因此，研究认员能够借助反馈器从有反馈到无反馈的时间长度信息（比如两次滴答声间相隔的时间要远大于此前的一般间隔时间），计算出量子跃迁的预计发生时间。

虽然研究人员实现了通过反馈器预测量子跃迁的发生时间，但团队发现，即使实验关掉“用于诱导跃迁发生的光子”，系统依然能在“明”和“暗”两种量子态间相互转换，因此，尽管跃迁事件本身在光子源被关掉后是随机的，跃迁发生的过程仍在一定程度上是确定的。

团队在关闭光子源后以等细分的时间间隔为分辨率，对“是否会出现波尔和海森堡所提出的完全随机的瞬间量子跃迁”进行了重点研究，结果发现量子跃迁在现实中确是连续的，即使即使直接观测可导致系统被观测到正处于某一特定态，但系统在跃迁过程中实际上是处于由可能结果态（如“明”和“暗”）所构成的叠加态，而随着跃迁过程的进一步发生，系统处于结果态的概率会变得越来越大，处于初始态的概率会变的越来越小，导致观测结果越来越趋向于结果态。

在实际操作中，团队通过使用一种名为“重建层析成像（tomographic reconstruction）”的研究方法，计算出了系统叠加态中“明”和“暗”两种态所占的比重，并在数微秒的跃迁发生期内对比重变化进行了观测，发现两种态的比重确是逐渐变化的，而非突然（瞬间）增大或减小到某一特定值。

此外，由于系统量子跃迁的持续时间足够长，研究人员可以在实际“捕捉”到这一转变过程后通过向光学腔室内发射光子来控制系统的跃迁过程，使其返回转换开始前的初始态。

启示

William Oliver 说：“耶鲁的这项研究表明，量子跃迁确是一个会随时间推移而展开的真实物理事件。”

德国亚琛大学（Aachen University）量子信息专家 David DiVincenzo 表示，跃迁的连续性其实在理论研究中是量子轨迹理论的产物之一。DiVincenzo 说：“这很神奇，因为我们此前并未对量子轨迹理论予以太多的重视，但此次的实验结果与它的预测相比是如此一致。”

Devoret 说：“此前，还从未有人通过巧妙设置信号反馈实现过量子跃迁发生可能性的计算，而现在，量子跃迁事件就好比是火山喷发，火山的每次喷发都是不可预测的，但我们可以通过火山的非典型静止期来判断它是否会在将来发生大规模喷发事件。”

Devoret 表示，研究结果将很可能会在未来被用于量子传感技术，比如确保原子钟的走速与原子转换频率同步。

DiVincenzo 认为，该研究或许也能被用在量子计算机纠错中，虽然目前离实际应用还有一段距离，但凡事总有开头。

总的来说，虽然此次耶鲁的研究取得了一些突破性进展，但我们对量子力学的了解仍是一团糟，比如虽然薛定谔在“量子跃迁是连续的”这一点上的确是对的，但量子跃迁的发生在目前看来却仍是随机的。